Durchbruch bei Brennstoffzellen erhöht Lebensdauer auf 200.000 Stunden

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen können so schnell betankt werden wie mit herkömmlichem Benzin, sind gleichzeitig aber potenziell sauberer und effizienter. Für Langstreckenfahrten mit dem Lkw, bei denen keine Zeit für langwieriges Aufladen von zudem sehr schweren Batterien ist, sind sie deshalb eine mögliche nachhaltige Antriebsmöglichkeit.

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Einem Forschungsteam der UCLA in Kalifornien ist es nun mit einem neuen Design für Brennstoffzellen gelungen, deren Lebensdauer auf 200.000 Stunden zu erhöhen. Das entspricht knapp 23 Jahren durchgehenden Betriebs. Der Durchbruch wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt und könnte ein Schritt in Richtung kommerzieller Anwendung der Technologie sein.

Geschützte Platin-Legierung

In Brennstoffzellen wird die Energie aus dem Wasserstoff in Elektrizität verwandelt, übrig bleibt nur Wasserdampf. Allerdings brauchen viele Modelle recht lange für die chemische Reaktion. Katalysatoren auf Basis von Platin-Legierungen können dieses Geschwindigkeitsproblem lösen, haben aber einen anderen Nachteil: Sie laugen mit der Zeit aus, besonders bei hohen Spannungen, die für Lkw notwendig sind.

Yu Huang, Professor für Materialwissenschaft und -Technik an der UCLA, hat gemeinsam mit seinem Team einen neuartigen Katalysator für Brennstoffzellen entwickelt, der die Platin-Legierung so schützt, dass die Leistung aufrechterhalten bleibt.

Zweidimensionale Graphen-Schicht

Dafür haben die Forscherinnen und Forscher Nanopartikel aus Platin in „Taschen“ aus Graphen verpackt. Diese bestehen aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome, die in einem zweidimensionalen Wabenmuster angeordnet sind. Graphen ist das dünnste bekannte Material, aber dennoch stabil, leicht und gut leitend.

Die Platin-Partikel mit Graphenhülle wurden danach in Ketjenblack eingebettet. Das ist ein pulverförmiges Kohlenstoffmaterial. Das neuartige Design, das auf Partikel innerhalb von Partikeln setzt, ermöglicht langfristige Stabilität und hohe katalytische Aktivität der Brennstoffzelle.

Weit weniger Energieverlust

„Unser reiner Platin-Katalysator, der mit einer Graphen-Schutzstrategie verbessert wurde, überwindet die Nachteile herkömmlicher Platin-Legierungen, indem er das Auslaugen von Legierungselementen verhindert. Diese Innovation sorgt dafür, dass der Katalysator selbst unter den anspruchsvollen Bedingungen von Langstrecken aktiv und robust bleibt“, erklärt Huang in einer Aussendung.

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Der neuartige Katalysator zeigte nach einem Stresstest, der jahrelanges Fahren in der echten Welt simuliert, einen Energieverlust von weniger als 1,1 Prozent. Ein Verlust von 10 Prozent gelte in diesem Bereich bereits als exzellent, weswegen das neue Design ein großer Erfolg sei.

Weit weg von kommerziellem Einsatz

Doch auch wenn diese Forschungsergebnisse vielversprechend klingen: Von breiter Anwendung ist die Technologie noch weit entfernt. Es gibt erst wenige wasserstoffbetriebene Lkw und die notwendige Infrastruktur ist quasi nicht vorhanden. Die OMV hat vor wenigen Tagen erst angekündigt, ihre 5 Wasserstofftankstellen in Österreich wegen zu geringer Nachfrage zu schließen.

Dazu kommt: Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sind nur dann wirklich nachhaltig, wenn sie mit sogenanntem „grünen Wasserstoff“ betankt werden. Dieser wird mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt und ist noch nicht in großen Mengen verfügbar.